天文学家看红岸基地是什么体验？【科幻V计划3】_风闻

原创：中科院物理所

直播间现场：从左至右分别是主持人白睿，嘉宾苟利军、刘茜、上官子粮、刘东宇

2023年3月12号，我们邀请到了《三体》电视剧天文组科学顾问、国家天文台研究员苟利军做客直播间。另外，我们还特别邀请了国家天文台沙河科普基地科普主管刘东宇，北京天文馆研究员刘茜，北京航天自动控制研究所软件室副主任上官子粮，为我们一同解读电视剧中的天文学知识。

苟利军在《三体》电视剧中参与天文组顾问工作

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嘉宾们对科幻文化有什么看法？

**苟利军：**我很喜欢科幻文化，在这种兴趣爱好的引导下我考入了南京大学的天文系，后来也出国继续深造天文。

苟利军参与《三体》科学顾问会

**刘茜：**我在北京天文馆工作，本职工作是做科普。我觉得科幻作品对科学普及很有作用，有时候比我们正儿八经讲课还有效。比如我小时候就很喜欢波兰科幻作家莱姆的作品。科幻小说在某种意义上是为我们人类设想一个未来的方案，比如科技应该朝哪些方向进化，我们的一些观念也应该如何演变。

**上官子粮：**我从小就拥有一个典型男孩子的梦想——当科学家。我在高一的时候参加了一个PPT制作的比赛，我做了一个讲太阳系的。在这个过程中，我第一次认识到太阳系如此之大，太阳足足有地球的130万倍大，这个数据让我很震惊。从那时候起我坚定了对科学的热爱。

我后来进入了北京航空航天大学，也就是《三体》中云天明和程心的母校。毕业后我进入航天领域，在同事的推荐下读了《球状闪电》和《三体》。那时候我还有个同事，他的父亲在娘子关发电厂，跟刘慈欣是同事，他跟我讲了很多刘慈欣的故事。我觉得真的很奇妙。

**刘东宇：**我从小就关注刘慈欣的作品，在我读小学的时候（90年代中叶）就开始看《科幻世界》杂志，在刘慈欣还没有破圈的时候我就是他的忠实粉丝。那个时候科幻还是个小圈子，我想去跟同学朋友们分享的时候，大家都不知道科幻是什么。现在过了十几年的发展，我很自豪能够看到国产科幻作品越来越多地进入到公众话题中。我在国家天文台沙河科普基地做科普工作的时候，发现很多公众了解天文的切入点也是科幻小说。

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现实中的天文学家是怎么用望远镜做观测的？

**苟利军：**望远镜接收的信号在天文学中叫射电，当然大众点的说法也叫无线电波。首先它的频谱非常宽，这导致有的望远镜孔径很大，有的很小，因为它们所观测的波段不同。其次，有些望远镜是单个的，而有些会是阵列的，共同组成一个大的望远镜。比如FAST，它是一个大的单口径望远镜，又比如EHT（事件视界望远镜），它可以通过联网的方式组成一个口径相当于地球直径级别的望远镜。

由66台天线组成的ALMA（阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜）

事件视界望远镜2017年成员 | 图源：NRAO/AUI/NSF

**刘茜：**望远镜阵列的综合口径相当于构成阵列的望远镜的最远距离，这项技术获得了1974年的诺贝尔奖，能大幅提高望远镜的分辨率。还有一个指标就是这些望远镜的总面积，总面积越大，接收到的信号就越多，照片的亮度也就越大。分辨率和亮度两者结合，才能得到一张好的照片。

**刘东宇：**说到天文观测，我想补充一下。中国的射电天文学起步于1958年，当时海南岛附近有一次日全食，我们中科院北京天文台筹备组和苏联专家就去搞了一次联合观测。观测结束后，苏联专家留下了两台射电望远镜的天线，我们就运回北京的沙河工作站，随后也举办了国内的第一次射电天文观测培训班。这可以说是我们当代中国射电天文学的开端之一。

在1978年改革开放后，国家开始招收天文系研究生，南仁东就是其中之一，他在我们的沙河站完成了研究生的学习，并开始构思中国天眼这么一个伟大的计划。

中国天眼FAST（500米口径球面射电望远镜）

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剧中沙瑞山说地面观测设备都是“聋子的耳朵”，因为观测设备被现代通讯网络干扰了，现实中我们有什么手段能避免这种干扰？

**苟利军：**这种影响还是蛮大的，比如美国的星链卫星，就对射电波段和光学波段都有很大干扰，国际天文学联合会已经在正视这类问题了。

**刘茜：**空间资源是属于全人类的，但是资源具体是怎么分配和使用，这是需要讨论的问题。

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剧中沙瑞山说他的观测不用地面望远镜，而是用空间卫星。现实中我们有这方面的应用吗？

**苟利军：**地面除了通讯干扰还有大气，现在的地面望远镜可以使用自适应光学系统来矫正大气扰动，但做起来很复杂。

**刘茜：**地球大气会阻碍一些电磁波来到地面，这些被吸收的波段我们就没法在地面观测。另外，如果我们把视角局限在地面的话，那么由于地球和其他天体的相互位置关系，有一些角度是看不到的，比如我想看月球的极区，就必须要用探测器从另一个角度观察。

**上官子粮：**我们国家早期航天还没发展起来的时候，就已经在尝试用高空探测气球去大气层边缘观测。随着我们国家越来越强大，我们发射卫星的频率越来越高，90年代我们就已经将望远镜搭载到卫星上做辅助天文观测，之后像夸父一号、慧眼号、悟空号等等，都能扩大我们的观测视野。未来我们将看到更多的太空观测卫星在中国航天的帮助下顺利升空。

夸父一号

**刘东宇：**刚刚我们聊到地面观测噪声，其实我们可以把望远镜搬到月球背面。那里是相当好的电磁宁静区，地球上发出的电磁波会被月球挡掉，这样信噪比会有很大的提升。

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嘉宾们对剧中所展现的宇宙闪烁和3K眼镜有什么解读？

**刘茜：**电视剧中设定汪淼观测宇宙闪烁的道具是从北京天文馆借的，但我想说的是，北京天文馆确实没有3K眼镜。但是我们确实有3K宇宙微波背景辐射的展馆，未来我们也会引进AR眼镜给大家更丰富的体验。不过这种将不可见的3K微波转换成可见的红光，很像天文学家将引力波转换成声波让大家听到一样。

宇宙微波背景辐射是宇宙第一次能被我们看到的那个瞬间留下的一张快照，然后经过上百亿年的膨胀，被拉伸成了我们现在所看到的模样。我们有一个球幕天文电影叫《宇宙大爆炸》，宇宙早期所有的物质都是等离子态，光子在里面会被无数的带电粒子反弹，所以看起来是不透明的，然后当它膨胀冷却到光子可以自由穿行时，我们就能看到了。

**苟利军：**我再做点补充，我们的宇宙诞生于一次大爆炸，在大爆炸后38万年，宇宙从光学厚的状态变成光学薄的状态，里面的光子一下都逃了出来，这个时候光的波长是近红外波段的，随着宇宙膨胀它被逐渐拉伸到微波波段。

宇宙微波背景辐射频谱

**刘东宇：**其实以前接收天线信号的收音机或电视机，它所收到的白噪声和白雪花，有一部分就来自于宇宙微波背景辐射。

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电视剧对红岸基地的展现符合我们早期天文台的样貌吗？

刘东宇：剧中叶文洁用到了1979年的《中国天文年历》，今天我带了两本过来，我们用得更多的是中国天文年历测绘专用版。

我们比较了剧里的数据表和书里的数据表，发现剧中所查的木星位置的数据是专门被特别调整过的，能够贴合剧情设定，所以剧组还是相当用心的。

《三体》电视剧剧照

另外剧中的打孔纸带也是很还原的，那个年代数据的存储方式就是这种打孔纸带。包括那时候也是用打孔纸带来输入观测目标的坐标。纸带如果断了的话，也有专门的设备去把它接回去。

剧中红岸基地的望远镜也很像我们兴隆观测站的2.16米望远镜，它是一个通用的光学望远镜。

**苟利军：**它曾今是国内口径最大的光学望远镜。目前国内最大的光学望远镜是位于云南丽江观测站的2.4米口径望远镜。而早在上个世纪，美国的胡克望远镜就已经能达到2.5米口径了，目前国际最大的已经达到了10米口径。国内的红外望远镜目前也是一个空白，所以我们还有很大的空间去追赶。

2.4米望远镜 | 图源：中科院云南天文台

**刘东宇：**剧中的示波器也很像我们七八十年代沙河站用的设备，那时候基本上都已经国产化了，现在都已经数字化了。

左右为实拍，中间为剧照

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剧中叶文洁用太阳作为信号放大器向外星文明发送信号，现实中有这种可能性吗？

**苟利军：**我觉得可能性很小。

**刘东宇：**所有的科幻作品都有些技术设定，是真真假假掺和在一起的。如果完全真实的话，那就不叫科幻了，没有这个设定的话故事也很难开展。

**上官子粮：**但这里头的设定还是蛮详细的，包括太阳有对流层和辐射层，每个层都对电波有什么样的作用，这就给人带来一种真实感。很多人评价刘慈欣，说他的小说写得像新闻报道一样。

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现实中的天文学家对太阳做了哪些研究？我们了解到国家天文台怀柔观测基地是专门做太阳观测的，能为我们解读下它的观测数据吗？

**刘茜：**太阳内部是高温等离子态，它就像早期宇宙一样是不透明的，我们能够看到的是它表面的光球层、色球层和日冕层。

然后在怀柔观测基地的网站我们可以看到近5天的观测结果，上下两行是太阳磁场，中间一行是对太阳表面气体的氢的656.2nm发光谱线的观测。太阳磁场磁力线扭结的地方会阻碍热量从内向外的传输，这就会形成一块低温区，也就是太阳黑子。

近5天对太阳的观测结果 | 图源：国家天文台怀柔观测基地

太阳活动会对我们人类的生活产生巨大影响，较轻的会干扰卫星通讯，严重的话就是日冕物质抛射，如果抛射的方向正朝着地球，那就电子元件可能都会损坏。

**苟利军：**我们的太阳观测装置一般都位于水边，比如怀柔观测基地就在怀柔水库边上。因为它可以起到稳定大气的作用，提高视宁度。然后国内也发射了很多专门观测太阳的卫星，比如刚刚提到的夸父一号。

怀柔观测基地

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红岸基地能观测到半人马座α三星系统吗？

**白睿：**剧中的三体星在现实中其实是有照应的，就是半人马座α三星系统，它距离地球确实4.2光年。但这个三星系统位于赤纬60°S~63°S。如果我们站在40°N的北京观测它，会发现它只在南天极附近打转而无法从地平线上升起。那么位于大兴安岭的红岸基地是不是就更不能看到它了？如果要修改这个bug，嘉宾们会怎么做？

**刘东宇：**是的，这说明半人马座α三星系统应该在红岸基地的恒隐圈里。要修改它可以往南走，考虑到大型望远镜自身的仰角，这个观测位置得到北纬20°左右，也就是北回归线南边。

编辑注：这就好像北极熊永远也看不见南十字座，澳大利亚的袋鼠也看不见北斗七星一样。

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目前半人马座α三星系统是恒纪元还是乱纪元？

**刘茜：**目前而言还算比较稳定，因为其中比邻星（半人马座αC）的质量比另外两颗小，而且离另两颗更远，所以目前看起来是比邻星围绕着半人马座αAB双星系统做较规律的转动。

黄色为A，橙色为B，红色为C

但这个规律是以人类文明的尺度而言的，如果以宇宙尺度来看，它终归是混乱的。其实太阳系在宇宙尺度上看也是混乱的，只是目前以人类文明的视角来看它是稳定的。

**白睿：**所以其实我们自己也可能处于一个乱纪元中，比如我们的天文历法也是在不断修正演化才能适应新的规律。

**苟利军：**是的，比如月球目前在以每年4厘米的速度远离我们，地球自转也在不断变慢，这在几十亿年的尺度下看也是相当可观的变化。

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我们可以研发一个自解译系统来联系外星文明吗？

**刘东宇：**这在历史上是有的，比如1974年美国就朝武仙座M13球状星团发射了无线电波，因为发射信息用的是阿雷西博望远镜，所以它也称为阿雷西博信息。它需要传播上万年才能抵达目标星系。

**刘茜：**其实阿雷西博信息我也看不懂，每次都得现查。但我想说的是，它是以电磁波的形式用二进制编码发出去的，本身并不携带颜色信息，所以现在我们看到的这张图其实已经是被解译了一部分了。

**苟利军：**我们看左边和中间的两幅图，它们和阿雷西博信息不同，是以实体物质的形式承载信息的。再仔细看的话你会发现它们都有两个小圈，代表氢分子的21cm特征波长。然后15根辐射状的线，代表地球附近的脉冲星，可以方便外星人定位我们。

**白睿：**也就是暴露我们的坐标。我来揭晓一下阿雷西博信息——第一行十个白色块的组合是用二进制的方式告诉外星人我们使用的是十进制；再下来的紫色是告诉外星人我们人体的五大元素H、C、N、O、P；再下来的12个绿块代表构成我们DNA的四种碱基、磷酸盐和脱氧核糖，蓝色部分代表双螺旋结构，白色是一个二进制数，代表当时人类认识到的基因组的数目；再下来是人体的平均身高和当时的全球人口总数；再下来的黄色块代表太阳系；最后的紫色块代表阿雷西博望远镜，下面的白色块也是二进制数，代表它的口径有306米。

对这幅图我和同学们一致评价都看不懂，外星人大概也看不懂。

**上官子粮：**图中中间那个携带金唱片的有旅行者1号和旅行者2号，它们可以说是航天史上的奇迹，因为在飞出太阳系的过程中用了四五次引力弹弓。以前我们嫦娥三号要到达月球，也需要借助地球自身的引力弹弓效应甩到第二宇宙速度，现在我们有长征五号，可以直接把载荷运到地月转移轨道。

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嘉宾们相信有外星人吗？对德雷克所提出的绿岸公式有什么看法？

绿岸公式（又称德雷克公式）

苟利军：它是把很多不确定因素都放到了一起，只能说我们可以预估有很多的地外文明，但到目前为止我们都没有观测到。另外，之所以它会被称为绿岸公式，是因为有一台射电望远镜就叫绿岸望远镜。

刚刚提到的阿雷西博信息，德雷克也是设计者之一

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三星系统也有稳定解，比如拉格朗日点，它是其中一个天体的质量相对另两个天体可以忽略不计的时候存在的一个稳定点。嘉宾们能讲讲这个特殊的稳定解吗？

《三体》电视剧剧照

**苟利军：**比如下图中标的日地拉格朗日点，它一共有5个，小天体在这5个地方可以比较稳定地运转。比如前年升空的韦布望远镜，就悬停在日地日地拉格朗日点L2。嫦娥四号的中继卫星鹊桥，就悬停在地月拉格朗日点L2。

**刘茜：**在太阳和木星的拉格朗日点L4和L5附近也有两个小行星群，叫特洛伊小行星群，这也说明拉格朗日点的稳定性。

特洛伊小行星群，在木星前的叫“希腊群”，在木星后的叫“纯特洛伊群”

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宇宙有边界吗？科学有边界吗？

**苟利军：**我个人理解这个边界更多的是一种工具手段的瓶颈，而每一次科学的爆发都是由突破了某个瓶颈引发的。所以我认为并不存在边界，我们对于未知的探索是永无止境的。比如我想知道宇宙外有什么，到底存不存在平行宇宙或者多重宇宙，那么随着工具的提升，我相信一定会有科学的手段去验证这个猜想。

**刘茜：**但有一个问题，数学体系是不完备的，那么以数学为工具的学科可能都会存在一种极限。

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对《三体》中的科学家形象有什么看法？

**白睿：**相信大家本期节目听下来，都会发现我们四位嘉宾是很健谈的，不会像剧中的魏成那样沟通上有障碍。嘉宾们对剧中其他科学家的形象有什么感受？你们自己平时生活中又会是一个什么样的形象？

**刘茜：**我觉得在你以“科学家”称呼一个人的时候，那个人一定会有一种旁若无人的工作状态，也就是沉浸在心流中。但当他从工作中脱出来时，就还会是一个普通人的样子。

**上官子粮：**是的，社会上有一种刻板印象，比如我是计算机专业，他们就说“你发量一定很少”。（编辑注：读者们可以倒回去看看上官老师浓密的秀发）而且我读《三体》的时候觉得大刘对老航天也有刻板印象，把他们设计成固执守旧的人，不愿意发展无工质推进，还安排了章北海去刺杀。但其实我们是很鼓励创新的。

**刘东宇：**其实苟利军老师还喜欢踢足球，是我们国家天文台足球队的主力。

**苟利军：**我原来踢前锋，现在踢中场。

本项目由北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会支持。